汽車機(jī)械慣量電模擬技術(shù)分析

趙天德 （梧州職業(yè)學(xué)院汽車工程系，廣西梧州543002）

汽車的機(jī)械慣量主要是指在機(jī)械運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的慣性能量，這種動能包含汽車平行移動和機(jī)械轉(zhuǎn)動所儲蓄的能量[1]。汽車機(jī)械慣量的量化是汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)的參數(shù)基礎(chǔ)，因而對汽車機(jī)械慣量的研究十分必要。在上述研究中，傳統(tǒng)的飛輪技術(shù)被電模擬技術(shù)所代替。電模擬技術(shù)是指利用機(jī)械模擬和電子系統(tǒng)相結(jié)合的方式進(jìn)行模擬，以此獲得試驗性數(shù)據(jù)，并利用上述數(shù)據(jù)來指導(dǎo)生產(chǎn)和設(shè)計。為此，筆者對汽車機(jī)械慣量電模擬技術(shù)分析進(jìn)行闡述。

1 傳統(tǒng)機(jī)械慣量模擬方法

傳統(tǒng)機(jī)械慣量模擬系統(tǒng)主要采用飛輪方法，即通過系統(tǒng)的飛輪組來模擬汽車機(jī)械慣量，飛輪組由大小不等的多個飛輪構(gòu)成。該測試裝置通過離合器等與底盤測功機(jī)的主滾連接，通過控制飛輪數(shù)量、大小等來模擬不同的慣量。該方法操作簡單，但存在如下缺陷：①飛輪一旦加工完成，其質(zhì)量固定不變，這意味著一臺模擬試驗機(jī)一旦組裝而成，其模擬的質(zhì)量就固定下來，除非對飛輪組進(jìn)行更換，否則不能實現(xiàn)多樣化的需求；②飛輪質(zhì)量越大，其設(shè)計和制造要求就越高，這提高了整個系統(tǒng)的成本；③飛輪組在運行過程中會產(chǎn)生較大噪聲和振動，一旦出現(xiàn)機(jī)械故障，可能會對周邊設(shè)備和人員安全造成一定威脅；④普通的飛輪慣量模擬設(shè)備系統(tǒng)龐大，且需要較高的安裝精度，因而安裝和更換飛輪需要花費較長時間。

2 汽車機(jī)械慣量的電模擬技術(shù)

利用電模擬技術(shù)進(jìn)行汽車機(jī)械慣量測定的核心內(nèi)容有2點：其一是確定車輛的基本慣量，因為不同的車輛所產(chǎn)生的慣量差別較大，同一輛車在不同的測試項目中產(chǎn)生的慣量也不相同；其二，電模擬技術(shù)的實現(xiàn)需要采用電力拖動系統(tǒng)，通過對輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制來調(diào)整汽車在加速和減速過程中的加速度和速度，上述參數(shù)都可以利用轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量，因而電模擬技術(shù)的核心是轉(zhuǎn)矩控制。

2.1 車輛慣量的確定

機(jī)械慣量的模擬首先要對慣量進(jìn)行定量分析，然后根據(jù)測試目的和要求確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。可以利用專用設(shè)備進(jìn)行試驗來測量汽車的機(jī)械慣量，也可以利用一些技術(shù)文檔資料來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。如在汽車驅(qū)動橋傳動的測量中，只要獲得車輛的質(zhì)量和車輪半徑就可以利用相關(guān)公式來獲得機(jī)械慣量[2]。

2.2 模擬系統(tǒng)的運動控制

在進(jìn)行電模擬過程中，當(dāng)發(fā)動機(jī)開始驅(qū)動的時候，汽車的所有構(gòu)件和載重量都成為其負(fù)載，用電慣量進(jìn)行模擬加載的時候，應(yīng)當(dāng)使電慣量的速度與真實車輛運行狀況相一致，這樣才能保證模擬的真實性。如果模擬車輛的質(zhì)量較大，無論是在加速或者減速階段，電慣量系統(tǒng)的加速度也應(yīng)與真實車輛運行情況相一致。

設(shè)電慣量系統(tǒng)的運動方式符合如下方程[3]：

式中，T表示發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N／m；TL表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N／m；J表示機(jī)械轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的慣量，kg／m2；ω表示角速度，rad／s；dω／dt表示角加速度，rad／s2。

電慣量系統(tǒng)的運動方程如下[3]：

式中，Te表示負(fù)載電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，N／m；J1表示系統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的慣量，kg／m2。

進(jìn)一步可以得出：

式中，K表示慣量模擬倍數(shù)。

通過上述討論，可以得出如下結(jié)論[4]：①汽車在加速階段，如果（T-TL）＞0，且汽車機(jī)械慣量較大，而電慣量系統(tǒng)的機(jī)械慣量相對小，即K值大于1，則Te小于0，此時負(fù)載電動機(jī)實際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩方向相反，從而阻礙汽車進(jìn)行加速運動；②在汽車減速階段，情況剛好相反，由于Te大于0，負(fù)載電動機(jī)實際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩相同，從而阻礙汽車進(jìn)行減速運動。

2.3 電慣量控制

以交流電動機(jī)變頻器為出發(fā)點，通過交流調(diào)速手段來進(jìn)行電慣量控制。交流電動機(jī)的機(jī)械特性方程如下[5]：

式中，p表示電動機(jī)的極對數(shù)，kW；s表示轉(zhuǎn)差率；r1表示電機(jī)定子電阻，Ω；r′2表示電機(jī)轉(zhuǎn)子的等效電阻，Ω；U1表示電動機(jī)的端電壓，V；f1表示輸出頻率，Hz；xσ1表示電動機(jī)定子電抗，Ω；x′σ2表示電動機(jī)轉(zhuǎn)子等效電抗，Ω。

圖1 交流電動機(jī)變頻系統(tǒng)機(jī)械特性曲線（汽車加速階段）

對于交流電動機(jī)變頻器，可通過改變電源頻率來達(dá)到改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。當(dāng)采用恒定電源比的控制方式時，需要在控制變頻器的輸出功率的同時控制電壓輸出并保持恒定。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加的時候，負(fù)載電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩就是阻抗轉(zhuǎn)矩，其方向與轉(zhuǎn)矩相反 （見圖1）。此時，負(fù)載電動機(jī)的工作點應(yīng)當(dāng)在機(jī)械特性曲線的第4象限中的A點，才能產(chǎn)生系統(tǒng)測試所需要的轉(zhuǎn)矩Te，其數(shù)據(jù)可以利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計算，電動機(jī)的實時轉(zhuǎn)速可以通過對設(shè)備進(jìn)行測量得到。此時交流電動機(jī)的工作狀態(tài)為再生制動狀態(tài)，其實際轉(zhuǎn)速大于其同步轉(zhuǎn)速，可以利用下式求出變頻器的輸出頻率[5]：

式中，n表示電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min。

按照式 （2）的要求構(gòu)造控制器，控制變頻器的頻率會獲得補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，從而控制電慣量的系統(tǒng)加速度，完成對機(jī)械慣量變化的模擬。由于電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速不斷變化，變頻器頻率也在實時變化，所以利用電模擬技術(shù)構(gòu)成的慣量模擬系統(tǒng)是一個動態(tài)系統(tǒng)。

3 仿真試驗

根據(jù)動力學(xué)模型理論，把電動機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速作為控制量，把制動力矩作為反饋量，具體過程如下：制動開始后，通過轉(zhuǎn)矩傳感器采集制動力矩的信號，通過A／D數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)字信號輸入計算機(jī)計算出所需轉(zhuǎn)速，再通過D／A轉(zhuǎn)換成模擬信號送至電動機(jī)調(diào)速器對電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速。該試驗在慣性臺架上完成。電模擬系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，用轉(zhuǎn)動慣量為20.48kg／m2的小飛輪對一系列大飛輪轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行模擬，將轉(zhuǎn)速設(shè)定為1000r／min和700r／min，恒轉(zhuǎn)矩設(shè)定在400～500N／m，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 20.48kg／m2 小飛輪對80kg／m2 大飛輪轉(zhuǎn)動慣量的模擬

從圖2可以看出，電模擬系統(tǒng)運行情況表現(xiàn)出雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律，其中恒轉(zhuǎn)矩有一定的波動，對于雙閉環(huán)系統(tǒng)來說，這是輕微地擾動作用，因而模擬曲線也會有輕微的波動。此外，電模擬系統(tǒng)試驗在運行開始時和運行結(jié)束時比運行在中間段時的誤差相對大一些，這主要是因為在運行開始時的突加負(fù)載系統(tǒng)滯后以及在運行結(jié)束時自由停車引起的。

4 結(jié) 語

通過汽車機(jī)械慣量電模擬技術(shù)可以對汽車性能進(jìn)行檢測，也可以為設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且電慣量的汽車模擬系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活、自動化程度高、裝置簡單和維護(hù)方便。因此，該技術(shù)將成為汽車性能檢測的主流技術(shù)。

[1]谷曼.車橋總成制動性能試驗臺的設(shè)計[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，（3）：505-508.

[2]劉田.汽車制動器性能控制方法[J].四川兵工學(xué)報，2010，31 （4）：62-63.

[3]李洪山，孫英達(dá)，慶振華.電慣量模擬機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量方法的研究[J].制造業(yè)自動化，2009（6）：20-21.

[4]張彪，劉昭度，李志遠(yuǎn)，等.機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量電模擬系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2007，38（5）：37-38.

[5]宮文斌，劉安龍，江闊，等.機(jī)械慣量混合電模擬技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2009，40（1）：208-212.